Curso de Vapor - Industrial (Técnico)

CURSO BÁSICO DE AUDITORÍAS ENERGÉTICAS EN SISTEMAS DE VAPOR

Santiago, Chile

5 de Mayo/ 2011

Presentación 01

Bienvenidos!

• Presentación del instructor

• Presentación de los participantes

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Objetivos

• Presentar a los participantes los contenidos básicos para la realización de auditorías energéticas en la producción industrial y el uso de vapor

• Puntos importantes:

– Contenidos Básicos: es necesario leer el material – Contenidos Básicos: es necesario leer el material adicional proporcionado al curso, para condición de las auditorías energéticas.

– Auditorías destinadas para realización de contratos de desempeño: las medidas presentadas son conservadoras, con resultados medibles.

– Aunque orientado a los sistemas industriales, el curso es para los sistemas en los hoteles, hospitales y otras instalaciones

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Contenido y programa

• Fundamentos técnicos

• Vapor y propiedades

• Usos del vapor

• Sistema típico de producción de vapor

• Creando una línea de base

• Oportunidades: usos finales, distribución

• Oportunidades: producción

• Herramientas

• Estudio de caso

• Feedback

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¿Listos?

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CONCEPTOS BASICOSCONCEPTOS BASICOS

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Vapor

• El vapor se refiere a la materia en estado gaseoso. Normalmente, usamos “gases” cuando es necessario un incremento de la presión para volver a líquido – “vapores” pueden volver a presiones bajas.

• En este curso, por “vapor” queremos decir “vapor de • En este curso, por “vapor” queremos decir “vapor de agua”.

• Las aplicaciones principales de vapor pueden ser a groso modo divididas en aplicaciones de:

– Calentamiento / humidificación

– Impulso / motrices

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Vapor

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Vapor

• El vapor es utilizado en las condiciones:

– Saturado

– Sobrecalentado

• Aunque sea “natural” utilizar vapor sobrecalentado, su producción es mas compleja – los equipos deben tener producción es mas compleja – los equipos deben tener diferentes superficies para la vaporización e después sobrecalentamiento.

• En sistemas de pequeño tamaño e presión (asta 15 bar, 200 oC), normalmente es utilizado vapor saturado seco.

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Vapor saturado seco

• Excelente fuente de calor entre los 100 y 200 °C.• Ampliamente usado como fuente de calor por las siguientes

razones:– “Rápido”, incluso es posible el calentamiento a través del calor latente• Mejora la calidad del producto y la productividad

– La presión y la temperatura pueden ser establecidas con – La presión y la temperatura pueden ser establecidas con relativa precisión• Posibilita controlar la presión en lugar de controlar la temperatura

– Alto coeficiente de transferencia de calor• El área pequeña requerida para la transferencia de calor permite reducir gastos en el equipo

– Originado a partir del agua• Seguro• De bajo costo

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Vapor saturado seco

• Las pérdidas de calor provocan que parte del vapor se condense, formando condensado

– Tiene que ser retirado por medio de la instalación de trampas de vapor en las líneas que lo transportan

• La eficiencia del calentamiento se ve afectada si se usa otro vapor en lugar del vapor secovapor en lugar del vapor seco

– Garantir la calidad del vapor

• Si la presión cae debido a pérdidas en la presión, provocadas por fricción en las tuberías, es posible que la temperatura también caiga

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Vapor sobrecalentado

• El vapor sobrecalentado es creado por medio del calentamiento adicional del vapor saturado, produciendo vapor que cuenta con mayor temperatura que la de saturación a la misma presión.

• Principalmente utilizado en aplicación de propulsión/impulso y es muy poco usado en aplicaciones de calentamiento.

• Las principales razones por las que el vapor sobrecalentado es poco utilizado como fuente de calor son las siguientes:poco utilizado como fuente de calor son las siguientes:– Existen cambios de temperatura durante el calentamiento porque la porción sobrecalentada es calor sensible

– Incluso si la presión es constante, la temperatura no puede ser establecida con precisión• No puede utilizarse el control de presión

– Eficiencia pobre en la transferencia de calor debido al bajo coeficiente de transferencia• Tiene algunos efectos sobre la productividad y el gasto inicial del equipo

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Calentamiento indirecto

• Utiliza los “intercambiadores de calor”

• El vapor pasa sobre el área de transferencia de calor del intercambiador de calor y el calor del vapor se transfiere a la sustancia que se está calentando.

• De esta manera, el vapor nunca entra en contacto directo con la sustancia que se calienta.con la sustancia que se calienta.

– No hay contaminación del producto

– Se pueden usar dispositivos específicos para control del vapor

• El vapor se suministra al intercambiador de calor en estado gaseoso, el cual cambia dentro del intercambiador a estado líquido (condensado) y despues lo abandona.

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Calentamiento indirecto

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Calentamiento indirecto

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Calentamiento indirecto

• La transferencia de calor de condensación del vapor proporciona un efecto de calentamiento notablemente mayor que el que realiza la transferencia de calor por convección por medio del agua o aceite calientes. Esto también ofrece las siguientes ventajas:

– Si las superficies de trasferencia de calor del – Si las superficies de trasferencia de calor del intercambiador de calor son idénticas, los tiempos de calentamiento pueden ser acortados si se calienta con vapor

– Si se rediseña el intercambiador de calor para hacer la misma cantidad de trabajo, si utilizamos vapor para el calentamiento, el diseño puede incorporar una menor superficie de transferencia de calor

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Calentamiento directo

• Usado cuando la calidad del vapor no afecta la calidad do producto y desea-se adicionar agua o humidad.

– Productos sin requisitos de calidad

– Vapor en grado alimentar / puro

• Eficiencia (normalmente!) superior a de los procesos indirectosindirectos

• Ayuda en la mistura de los productos

– Ejemplo: producción de sopas industriales (preparados)

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Calentamiento directo

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Importancia del vapor

• Estas son solo dos de las propiedades importantes del vapor—el vapor ofrece una serie de ventajas adicionales a estas. Por esa razón, el vapor tiene una posición importante como una fuente de calor industrial.

– En Brasil: algo como 43% de toda la energía utilizada por la industriapor la industria

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PRODUCCIÓN DE VAPOR: PRODUCCIÓN DE VAPOR: SISTEMAS TÍPICOS

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Producción

• Vapor es generado en una caldera (o generador de vapor) pelo intercambio de calor de gases calientes asta el agua.

• Vapor pode ser generado con recuperación de calor contenido en otras corrientes (calderas de recuperación).

• El agua absorbe cuantidad de calor suficiente para cambio de estado e, después, la presión faz el vapor circular por el de estado e, después, la presión faz el vapor circular por el sistema.

• Las partes más importantes:

– Caldera

– Sistema de alimentación de combustible

– Sistema de inyección del aire de combustión

– Sistema de alimentación del agua

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Distribución

• El vapor sale de la caldera asta los puntos de consumo pro una rede de tuberías, que deben garantir los caudales y la presión necesarias.

• Pueden existir diferentes redes:

– Locales en la planta industrial

– Niveles de presión

• Válvulas son utilizadas para:• Válvulas son utilizadas para:

– Bloqueo de líneas y equipos

– Control de presión

• El desempeño del sistema de distribución depende de:

– Equilibrio de presiones

– Drenaje del condensado

– Aislamiento

– Estanqueidad

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Usos finales

• Diferentes equipos nos cuales el vapor es utilizado.

• Específicos para cada proceso o industria:

– Cambiadores de calor

– Turbinas

– Columnas de destilación

– Chillers de absorción

– Esterilizadores

– Calentadores de aire

– ………

• Dispositivos para control de temperatura

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Balance de energía (sistema normal)

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LÍNEA DE BASELÍNEA DE BASE

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Línea de base

• En un contrato de performance, una das actividades más importantes – e difíciles – es construir una línea de base do uso de energía.

• No caso de vapor, normalmente:

– El cliente no tiene registros en detalles de la producción de vapor o su consumo;de vapor o su consumo;

– Las mediciones de caudales exigen equipos especiales;

– No existen grandes preocupaciones con su consumo.

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El desafío de una ESCO

• Un trabajo de auditoria ocupa semanas, no máximo meses.

• La actividad de medida y verificación indica que deben ser presentadas “las condiciones de un ciclo completo de operación”.

• Como representar el perfil de uso de energía para todo un año?

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Línea de base

• Una alternativa es utilizar herramienta de correlación de parámetros, conocidos para un año de referencia.

• Estos serán ayustados en un modelo calibrado con datos medidos o obtenidos durante la auditoría.

• Cuales son los parámetros relevantes?• Cuales son los parámetros relevantes?

• El modelo calcula error de correlación, que debe ser presentado y aprobado por el cliente.

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Costo del vapor

• Una alternativa interesante para la ESCO es presentar los resultados de una línea de base en termos de costo unitario del vapor

Costo = [CLP / ton]

Costo = [CLP / (J, BTU, cal…]

• Lo trabajo de la ESCO es reducir la cantidad de vapor o el costo unitario!!

• Importante: en un contrato de performance, determine una producción mínima de vapor

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Costo del vapor

• Como calcularse?

– Identifique los costos disponibles

– Considere los más importantes

– Use unidades conocidas por el cliente

• Se posible:

– Costos con agua

– Costos de tratamiento de agua

– Costos de mantenimiento

– Costos ambientales (sobre todo en RM)

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CURSO BÁSICO DE AUDITORÍAS ENERGÉTICAS

EN SISTEMAS DE VAPOR

Santiago, Chile

5 de Mayo/ 2011

Presentación 02

Contenido y programa

� Fundamentos técnicos

� Vapor y propiedades

� Usos del vapor

� Sistema típico de producción de vapor

� Creando una línea de base

• Oportunidades: usos finales, distribución

• Oportunidades: producción

• Herramientas

• Feedback

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AUDITORÍAS:AUDITORÍAS:USOS FINALES

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Eficiencia en usos finales

• Recomendamos que el trabajo de auditoría se inicie con los usos finales de vapor:

– Conocer las necesidades da planta, respecto a lo uso de vapor

– Permite que análisis posteriores de los sistemas de distribución y producción de vapor sean realizadas de distribución y producción de vapor sean realizadas de forma a optimizar toda la instalación

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Eficiencia en usos finales

• Las análisis deben ser realizadas de forma individual: cada proceso puede requerir condiciones específicas del vapor (presión/temperatura, caudal).

• La finalidad normal de vapor en una industria é fornecer calor para un proceso, de forma controlada, limpia y segura.segura.

• Eventualmente, o vapor participa directamente del proceso.

• Deben ser observados, inicialmente:

– Los requisitos efectivos para uso do vapor: condiciones de proyecto x ajustes da operación

– Evaluar condiciones de mantenimiento dos equipos consumidores

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Perdidas en uso final

• Perdidas en la transferencia para el producto

– Cambio de calor ineficiente

– Incrustaciones

– Equipos muy antiguos

• Perdidas para o ambiente

– Aislamiento dañificado

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Ejemplo: equipos sin cobertura

• Un tanque abierto, con producto caliente y sin cobertura:

– Perdidas de energía

– Perdidas de producto

• Recomendase utilizar cubiertas aisladas, reduciendo las perdidas de energía

– Perdidas (kcal/h.m2)– Perdidas (kcal/h.m2)

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Temperatura del tanque

Aire 20 oC Aire 30 oC

45 2120 1738

55 4162 3693

65 7725 7143

85 25200 24244

Revise los requisitos!

• Cual la presión requerida? Y la temperatura?

• Cual el caudal? Y régimen de uso?

• Es posible trabajar con vapor a una presión o temperatura inferiores?

• Es posible utilizar otra fuente de calor? (calor recuperado de otro proceso, por ejemplo)de otro proceso, por ejemplo)

• Vapor es utilizado solo para calentamiento de agua?

• Cual la distancia de los puntos de consumo asta la caldera?

• Los sistemas de control de temperatura son adecuados?

• Existe recuperación de condensado?

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AUDITORÍAS: AUDITORÍAS: DISTRIBUCIÓN DE VAPOR

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Eficiencia en distribución

• Debe ser buscado un sistema de distribución, incluso el retorno de condensado, que resulte en menores perdidas de energía.

• Perdidas en partida: cuando un sistema de vapor é desligado, una grande cantidad de energía es necesaria desligado, una grande cantidad de energía es necesaria para calentar tuberías y equipos.

• Perdidas en operación: perdidas por escapes o baja eficiencia en la operación del sistema de vapor.

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Fugas

• Las perdidas de vapor en fugas representan una perdida de energía, e deben ser evitada de forma permanente.

• En general, las perdidas se localizan:

– En trechos da tubería

– En trampas

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Fugas

• Fugas en las tuberías son normalmente de fácil visualización.

• Pero en trechos enterrados o ocultos en locales no visibles, la identificación de fugas no es tan simples.

• Las fugas se deben por corrosión, instalación inadecuada o problemas de mantenimiento.problemas de mantenimiento.

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Diámetro (mm) Perdida (ton/ano)@7,0 kgf/cm2

Perdida combustible

(kg/ano)

0,8 5 380

1,5 95 7300

3,0 160 12300

6,0 2900 223000

Fugas

• En trampas, después de 3 o 5 años cerca de 15% de las trampas no operan en condiciones ideales.

• Debe se ejecutado un plano de inspección y reparos, de modo que no más que 5% de lo vapor se pierda.

• Métodos de inspección:

– Temperatura– Temperatura

– Sonido

– Electrónico

• Normalmente los fabricantes ofrecen servicios de inspección

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Perdidas en el aislamiento

• Las tuberías presentan perdidas, que deben ser limitadas a valores económicos en comparado con costos de aislamiento.

• Fórmula general para calculación:

m = 3,6 x Q x L x f / hm = 3,6 x Q x L x f / h(ver tablas en manual PROCEL)

• O utilizar tablas para selección de espesura de aislamiento en silicato de calcio

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Condensado

• Los procesos basados en el calentamiento utilizan el calor latente y lo transfieren al producto. Cuando se realiza este trabajo (es decir el vapor a cedido su calor latente), el vapor se condensa y se convierte en condensado.

• El condensado no tiene la habilidad de hacer el trabajo que • El condensado no tiene la habilidad de hacer el trabajo que el vapor realiza. Por lo tanto la eficiencia de calentamiento se ve afectada si el condensado no es removido propia y rápidamente como sea posible, ya sea en un tubería para transportar el vapor o en un intercambiador de calor.

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Optimizar retorno de condensado

• Excepto cuando ocurre contaminación, debe-se buscar o máximo de uso de condensado producido en el sistema.

• Ventajas en el uso de condensado:

– Reduce consumo de agua

– Reduce consumo de combustible

– Reduce perdidas por blowdown– Reduce perdidas por blowdown

– Reduce costos con tratamiento

• En instalaciones pequeñas, la presión del condensado es suficiente para su retorno a la caldera. En plantas mayores, es necesario o uso de bombas especiales para condensado.

• Los equipos que permiten el control de y recuperación del condensado son las trampas.

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Trampas

• Las trampas deben atender los siguientes requisitos:

– Descarga inmediata y completa de condensado

– No fugar vapor aún cuando se utilice durante largos periodos de tiempo

– También descargar gases no condensables, como el aire

• Existen tipos que descargan condensado continuamente y • Existen tipos que descargan condensado continuamente y tipos que lo hacen de manera intermitente.

• La combinación de estos da a cada tipo de trampa de vapor características especiales.

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Selección rápida de trampas

No or little load Light Load Normal Load Heavy Load

Float &

ThermostaticNo Action

Usually

continuous. May

cycle.

Usually

continuous. May

cycle.

Continuous Closed

Inverted Bucket Small Dribble May dribble Intermittent Continuous Variable

Bimetal

ThermostaticNo Action

Usually Dribble

Action

May blast at

high pressuresContinuous Open

Type of Steam

Trap

Operation Normal Failure

Mode

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ThermostaticNo Action

Action high pressuresContinuous Open

Impulse Small Dribble

Usually

continuous with

blast at high

loads

Usually

continuous with

blast at high

loads

Continuous Open

Thermodynami

c DiscNo Action Intermittent Intermittent Continuous Open

http://www.engineeringtoolbox.com/steam-traps-d_282.html

AUDITORÍAS: AUDITORÍAS: PRODUCCIÓN DE VAPOR

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Calderas

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Caldera

22

Caldera

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Perdidas en la chimenea

• Las perdidas de calor en la chimenea son las más representativas en un sistema de vapor (cerca de 10 -22%), e deben-se especialmente a:

– Temperatura de salida de gases

– Exceso de aire

• Las condiciones de los gases en la chimenea permite una evaluación (indirecta) del rendimiento de la caldera. Temperaturas más elevadas indican:

– Mayor producción de vapor

– Perdidas elevadas

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Perdidas en la chimenea

• Factores que afectan las condiciones de operación y temperatura de los gases en chimenea:

– Proyecto de la caldera

– Suciedad en los tubos

• Considerando su importancia, es recomendable que un • Considerando su importancia, es recomendable que un programa de monitoreo de las condiciones dos gases sea establecido.

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Exceso de aire

• En condiciones ideales, todo oxigeno es combinado con carbono del combustible.

• En condiciones reales, se permite que un exceso de aire (y oxigeno) sea verificado, para garantir una quema completa del combustible.

• El exceso representa energía adicional, para calentamiento • El exceso representa energía adicional, para calentamiento de aire. Debe-se mantener el exceso de aire en valores controlados:

– < 9,5% (aire)

– < 5,0% (oxigeno)

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Exceso de aire

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Economizadores

• Como mostrado, los gases de combustión contienen energía.

• Pueden ser utilizados equipos llamados economizadores, los cuales recuperan parte del calor para precalentamiento del agua que será introducido en la caldera.

• Un economizador puede elevar lo rendimiento en cerca de 3%. 3%.

• La reducción de la temperatura dos gases debe ser limitada a un valor mínimo, de modo que non se críen ácidos en la chimenea

– Gas natural: 120 oC

– Carbón: 150 oC

– Petróleo: 180 oC

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Economizadores

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Perdidas por radiación y convección

• Las temperaturas internas de una caldera son superiores a del medio externo. Eso resulta en perdidas por radiación y convección.

• Normalmente, el aislamiento económico limita estas perdidas a 1,0% del total.

• Si la temperatura en la superficie de la caldera es mayor que 30 oC en comparado a lo ambiente, indica perdidas excesivas.

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Calculo de eficiencias

• Método directo

– Determina el rendimiento da transferencia de energía del combustible al vapor

– Mediciones:

• Caudal de agua

• Caudal de combustible• Caudal de combustible

• Temperaturas, presión y composición del combustible

• Método indirecto

– Determina el rendimiento de la combustión

– Mediciones de características del gas en la chimenea

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Método directo

η = Ms x (h5 – h4) / [ Mf x HHV – W ]

• HHV: calor superior de combustión

• h4: entalpía de agua en la entrada

• h5: entalpía de vapor a la salida de caldera

• Mf: caudal (masa) de combustible

• Ms: caudal (masa) de vapor

• W: potencia de ventiladores e bombas

• η: eficiencia de la caldera

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HERRAMIENTASHERRAMIENTAS

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Softwares

• SSAT: Steam System Assessment Tool

• RETScreen

• Spirax Sarco

http://www.spiraxsarco.com/resources/software.asp

• Armstrong

http://www.armstronginternational.com/software

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Publicaciones

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